JP6265268B2

JP6265268B2 - 分析装置

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Publication number: JP6265268B2
Application number: JP2016545156A
Authority: JP
Inventors: 舟田　康裕; 康裕舟田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2014-08-28
Filing date: 2014-08-28
Publication date: 2018-01-24
Anticipated expiration: 2034-08-28
Also published as: CN106662554B; JPWO2016031008A1; WO2016031008A1; US20220170892A1; CN106662554A; US20170276652A1

Description

本発明は、試料に含まれる複数の成分を成分毎に分離する分析装置に関する。特に、超臨界流体を用いたクロマトグラフに関する。

超臨界流体は、常温常圧では気体であるような流体（例えば、二酸化炭素）をその流体の臨界点（二酸化炭素の場合、臨界温度３１℃、臨界圧力７．４ＭＰａ）より高い温度と圧力に保つことによって実現することができ、多くの物質に対して優れた溶解性を示すため、超臨界流体抽出（Supercritical Fluid Extraction；以下、ＳＦＥという）や超臨界流体クロマトグラフィー（Supercritical Fluid Chromatography；以下、ＳＦＣという）に多く用いられている。

特許文献１には、切換バルブによりＳＦＥ用の流系とＳＦＣ用の流系とを切り換えることにより、ＳＦＥとＳＦＣのいずれかを行うことが可能な、超臨界流体を用いた抽出並びに分離分析装置が記載されている。ＳＦＥとＳＦＣとが別の流系となっているため、ＳＦＥにより試料から抽出した成分を一旦トラップカラムにトラップし、その後、溶媒で溶出させている。そのため、ＳＦＥによる抽出物をクロマトグラフにより測定するためには、抽出物の濃度調整やクロマトグラフの試料導入部への設置など、人の手を介さなければならない。このように抽出物が直接カラムに導入されないオフラインの構成では、抽出から分析の一連の操作を自動で行うことができない。

特許文献２には、抽出から分析の一連の操作を自動で行うことを可能とした、ＳＦＥとＳＦＣとが一つの流系となっているオンラインの構成を有する超臨界流体を用いた分析装置が記載されている。このようなオンラインの構成の分析装置の一例を図３に示す。

図３の分析装置３０は、ボンベ３００、加圧ポンプ３０１、溶媒容器３０２、モディファイアポンプ３０３、第１流路切替バルブ３０４、サンプル収納容器３０５、温調装置３０６、ニードル３０７、第２流路切替バルブ３０８、分析カラム３０９、紫外線検出器（UV）３１０、背圧調整弁３１１、及び質量分析器（MS）３１２で構成される。

ボンベ３００から加圧ポンプ３０１により引き出され、加圧された二酸化炭素（超臨界流体）は、溶媒容器３０２からモディファイアポンプ３０３により引き出された修飾剤（モディファイア）と共に第１流路切替バルブ３０４を経由して、温調装置３０６により温度が調整可能になっているサンプル収納容器３０５に送られる。加圧ポンプ３０１及び後述する背圧調整弁３１１により、これらの間の流路を臨界圧力を超える圧力にし、且つ、温調装置３０６によりサンプル収納容器３０５を臨界温度を超える温度にすると、サンプル収納容器３０５内で二酸化炭素（超臨界流体）は、超臨界状態となり、その優れた溶解性により、サンプル収納容器３０５内で試料から成分を抽出する（ＳＦＥ）。

ＳＦＥによる抽出物を含む超臨界流体は、サンプル収納容器３０５に取り付けられたニードル３０７から第２流路切替バルブ３０８を経由して、分析カラム３０９に流入する。ＳＦＥによる抽出物を含む超臨界流体は、分析カラム３０９によってそれぞれの成分に分離された後、紫外線検出器（UV）３１０、背圧調整弁３１１、及び質量分析器（MS）３１２を流れ、各成分の分析が行われる（ＳＦＣ）。

特開平４-３３２８６３号公報特開昭６０-８７４７号公報

従来の分析装置３０において、農産物を試料として、該農産物中の残留農薬量をクロマトグラフにより測定する場合、ＳＦＥによる抽出物には、目的成分以外にも、農産物自身の色素、脂質、糖類など、農薬の分析にとって夾雑物となる物質が大量に抽出される。このような試料を分析対象とする場合に、従来の分析装置３０の構成では、ＳＦＥによる抽出物の全てが分析カラム３０９に導入されるため、大量の夾雑物により、分析カラム３０９が劣化しやすく、紫外線検出器（UV）３１０の飽和や質量分析器（MS）３１２の汚染も生じやすい。このように、試料によっては、分析装置３０に負荷がかかる場合や正確な測定が困難になる場合があり、分析装置３０の分析対象となる試料の範囲が狭く汎用性が低くなる。

本発明が解決しようとする課題は、分析対象にすることができる試料の範囲を拡げ、汎用性が高い分析装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る分析装置は、
a) 試料成分を含む流体を第１の流路及び第２の流路に分けて流すための分岐部と、
b) 前記第１の流路に設けられた、前記流体から前記試料成分を分離するカラムと、
c) 前記第１の流路の圧力を制御する第１の圧力制御部と、
d) 前記第２の流路の圧力を制御する第２の圧力制御部と、
を備え、
前記第１の流路の圧力と前記第２の流路の圧力の比により、前記第１の流路及び前記第２の流路に流れる前記流体の量を制御することを特徴とする。

また、上記課題を解決するために成された本発明に係る分析方法は、
a) 第１の圧力制御部により第１の流路の圧力を制御するステップと、
b) 第２の圧力制御部により第２の流路の圧力を制御するステップと、
c) 前記第１の流路の圧力と前記第２の流路の圧力の比により、前記第１の流路及び前記第２の流路に流れる試料成分を含む流体の量を制御するステップと、
d) 前記流体を分岐部により前記第１の流路及び前記第２の流路に分けて流すステップと、
e) 前記第１の流路に設けられたカラムにより、前記流体から前記試料成分を分離するステップと、
を有することを特徴とする。

「流体」は超臨界流体であることが好ましいが、これに限られず、気体又は液体であってもよい。流体が超臨界流体である場合、第１の流路の圧力及び第２の流路の圧力は、これらの圧力の値の和が流体の臨界圧力を超える圧力の値となるように設定される。

第１の圧力制御部及び第２の圧力制御部は共に圧力制御弁を有し、該圧力制御弁が、それぞれ、第１の流路及び第２の流路に設けられていてもよい。

分岐部の上流には、超臨界流体を用いた抽出（ＳＦＥ）を行う抽出部（ＳＦＥ−Ｕｎｉｔ）が接続されていてもよいし、試料注入部（オートサンプラ）が接続されていてもよい。つまり、ＳＦＥとＳＦＣとが一つの流系となっているオンラインの構成であってもよいし、超臨界流体を用いたクロマトグラフィー（ＳＦＣ）のみを行うことができる構成であってもよい。

上記構成から成る本発明に係る分析装置及び分析方法によれば、第１の圧力制御部及び第２の圧力制御部を用いて、第１の流路の圧力及び第２の流路の圧力の比を変えることにより、分岐部で分かれた後、第１の流路及び第２の流路を流れる流体の量を制御することができる。試料成分を含む流体に、分析にとって夾雑物となる物質が大量に含まれる場合には、その全てがカラムに導入されないように、第１の流路に設けられたカラムを流れる流体の量を少なくすることにより、カラムの劣化を抑え、分析装置にかかる負荷を低減することができる。このように、分析対象とすることが可能な試料の範囲を拡げることができ、汎用性が高い分析装置を提供することができる。

本発明の第１実施例に係る分析装置の概略構成図。本発明の第２実施例に係る分析装置の概略構成図。従来の分析装置の概略構成図。

以下、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

（第１実施例）
図１は、本実施例の分析装置の概略構成図である。本実施例の分析装置１０は、ボンベ１００、加圧ポンプ１０１、溶媒容器１０２、モディファイアポンプ１０３、抽出部１１４、分析カラム１０９、分岐部１１０、第１背圧調整弁１１１、第２背圧調整弁１１２、質量分析器（MS）１１３、及び回収容器１１５で構成される。抽出部１１４は、第１流路切替バルブ１０４、サンプル収納容器１０５、温調装置１０６、ニードル１０７、第２流路切替バルブ１０８、及びこれらをつなぐ配管で構成される。

本実施例の分析装置１０は、分岐部１１０と、第１背圧調整弁１１１、及び第２背圧調整弁１１２を備える点に特徴を有しており、試料成分を含む流体は、分岐部１１０により第１の流路及び第２の流路の２個の流路に分かれて配管内を流れる。本実施例では、分岐部１１０の上流には抽出部１１４が、下流の第１の流路には分析カラム１０９が直接接続され、オンラインの構成を有している。以下では、抽出部１１４が超臨界流体として二酸化炭素を用いたＳＦＥにより、試料（農産物）に含まれる残留農薬を抽出し、分析カラム１０９により、該残留農薬の成分を分離する場合を説明する。また、圧力制御弁である、第１背圧調整弁１１１、第２背圧調整弁１１２はそれぞれ、第１の圧力制御部、第２の圧力制御部に対応する。分析装置１０は以下のように動作し、抽出部１１４による抽出物に含まれる複数の成分を分析カラム１０９により成分毎に分離して、質量分析器１１３によりその成分を同定する。

まず、サンプル収納容器１０５に試料として農産物を入れ、その一端にニードル１０７を取り付ける。これらの作業はユーザが行ってもよいし、図示しない制御装置が行ってもよい。このようにして、図１のように、各部が接続された状態とする。なお、サンプル収納容器１０５は１個でも構わないし、図１のように複数個あってもよく、複数の試料について抽出が可能な構成であってもよい。

次に、加圧ポンプ１０１により加圧しつつ二酸化炭素（超臨界流体）をボンベ１００から引き出す。また、モディファイアポンプ１０３により極性溶媒（メタノール、エタノールなど）である修飾剤（モディファイア）を溶媒容器１０２から引き出す。これらは共に第１流路切替バルブ１０４を経由して、ヒータなどの温調装置１０６により温度が調整可能になっているサンプル収納容器１０５に送られる。加圧ポンプ１０１及び後述する第１背圧調整弁１１１及び第２背圧調整弁１１２により、加圧ポンプ１０１と分岐部１１０の間の流路の圧力を、二酸化炭素の臨界圧力（７．４ＭＰａ）を超える圧力にし、且つ、温調装置１０６によりサンプル収納容器１０５を二酸化炭素の臨界温度（３１℃）を超える温度にすると、サンプル収納容器１０５内で二酸化炭素（超臨界流体）は、超臨界状態となる。超臨界状態の二酸化炭素は優れた溶解性を有するため、サンプル収納容器１０５内の試料（農産物）を溶かす。これにより、試料中の目的成分である残留農薬の他、色素、脂質、糖類など、残留農薬の分析にとって夾雑物となる物質が大量に抽出される（ＳＦＥ）。

ＳＦＥによる抽出物を含む超臨界流体は、ニードル１０７から第２流路切替バルブ１０８を経由して、分岐部１１０に至り、そこで第１の流路及び第２の流路に分かれる。第１の流路には、図示しないカラムオーブンにより臨界温度を超える温度に加熱された分析カラム１０９が設けられており、第１の流路内を流れるＳＦＥによる抽出物を含む超臨界流体は、分析カラム１０９内で超臨界状態となり、そこでそれぞれの成分に分離された後、第１背圧調整弁１１１、及び質量分析器（MS）１１３を流れ、各成分の分析が行われる（ＳＦＣ）。なお、分析カラム１０９と第１背圧調整弁１１１の間に、図示しない検出器（紫外線検出器（UV）３１０など）が設けられていてもよく、また、質量分析器１１３は必須の構成ではない。また、第２の流路を流れるＳＦＥによる抽出物を含む超臨界流体は、第２背圧調整弁１１２を流れることで超臨界状態でなくなった後、回収容器１１５により回収される。

ここでは、第１の流路及び第２の流路を構成する配管の構造（断面形状、断面積の大きさ）や材料が実質的に同じであり、これらに起因する流体の抵抗に違いがない場合を説明する。このように、第１の流路及び第２の流路を構成する配管の構造が実質的に同じであれば、分析カラム１０９の抵抗を無視すると、第１の流路と第２の流路を流れる流体の量は、これらの流路の圧力の比に依存するスプリット比で決まる。

第１背圧調整弁１１１により制御された第１の流路の圧力をＰ_１、第２背圧調整弁１１２により制御された第２の流路の圧力をＰ_２とし、説明の便宜上、分析カラム１０９の抵抗を無視すると、分岐部１１０の上流の流量が、例えば、１０ｍＬ／ｍiｎである場合に、第１の流路と第２の流路のスプリット比を１：９９、すなわち、Ｐ_１＝９９×Ｐ_２とすれば、流体の大半は圧力が低い第２の流路を流れ、分析カラム１０９を流れる流量は、０．１ｍＬ／ｍiｎとなる。実際には、分析カラム１０９の抵抗が無視できないが、予備的な実験によりＰ_１及びＰ_２の圧力の比と流量の関係を調べておくことにより、所望のスプリット比にできるＰ_１及びＰ_２の圧力の値を予め把握することができる。なお、超臨界流体を用いる場合、第１の流路の圧力Ｐ_１及び第２の流路の圧力Ｐ_２の値の和は、流体の臨界圧力を超える圧力の値とする。

このように、第１背圧調整弁１１１及び第２背圧調整弁１１２用いて、第１の流路の圧力Ｐ_１及び第２の流路の圧力Ｐ_２の比を変えることにより、分岐部１１０で分かれた後、第１の流路及び第２の流路を流れる流体の量を制御することができる。試料成分を含む流体に、分析にとって夾雑物となる物質が大量に含まれる場合には、その全てが分析カラム１０９に導入されないように、上述のスプリット比が１：９９の例のように、第１の流路に設けられた分析カラム１０９を流れる流体の量を少なくすることにより、分析カラム１０９の劣化を抑え、分析装置１０にかかる負荷を低減することができる。このように、夾雑物となる物質が大量に抽出される試料であっても分析対象とすることが可能になり、分析装置の汎用性を高めることができる。

図３に示した従来のＳＦＥとＳＦＣとが一つの流系となっているオンラインの構成において、ＳＦＥでは抽出の速度を優先させるため、サンプル収納容器３０５内の流量を多くすることが望ましい一方で、ＳＦＣでは分析カラム３０９による分離を優先させるため、分析カラム３０９内の流量を少なくすることが望ましい。つまり、流量については、ＳＦＥとＳＦＣはトレードオフの関係にあるため、ＳＦＣによる分離の精度を優先させて、抽出時間を犠牲にするか、ＳＦＥによる抽出の速度を優先させて、分離の精度を犠牲にするか、あるいは、これらの間を取った流量にして、抽出時間と分離の精度のいずれをも少しずつ犠牲にせざるを得なかった。そのため、従来は分析カラム３０９を流れる試料成分を含む流体が、ＳＦＣに適した流量よりも多いために、分析カラム３０９内で試料成分が十分に分離されないまま通り抜けてしまい、ピークが広がってしまう（ブロードピークが生じる）場合があった。超臨界流体を用いる場合では、その優れた溶解性が分析カラム３０９によるトラップより勝ることがあるため、なおさら、このようなブロードピークが生じやすかった。このようなブロードピークが生じると、成分毎の分離が不十分になり、正確な分析ができない。

これに対し、本実施例の構成では、第１の流路の圧力Ｐ_１及び第２の流路の圧力Ｐ_２の比を変えることにより、分析カラム１０９を流れる流体の量を変えることができる。そのため、分岐部１１０の上流に超臨界流体を用いた抽出（ＳＦＥ）を行う抽出部１１４を設けた構成にした場合、抽出部１１４におけるサンプル収納容器１０５内の流量を多くしつつ、第１の流路に設けられた分析カラム１０９内の流量を少なくすることができ、ＳＦＥとＳＦＣのそれぞれに適した流量にすることができる。これにより、ＳＦＥとＳＦＣとが一つの流系となっているオンラインの構成において、分析カラム１０９内で試料成分が十分に分離され、ブロードピークが低減された正確な分析が可能になる。

また、オンラインの構成でありつつ、ＳＦＥによる抽出物を含む流体の一部が回収容器１１５に回収されるため、これを引き続きオフラインの構成の場合のように、他の分析装置を用いた分析に供することもできる。

なお、本実施例では、第１背圧調整弁１１１、第２背圧調整弁１１２がそれぞれ、第１の圧力制御部、第２の圧力制御部に対応し、且つ、同様の配管構造を備える例を説明したが、これに限られず、第１の流路及び第２の流路を構成する配管の構造（断面形状、断面積の大きさ）を互いに異ならせる機構を第１の圧力制御部及び第２の圧力制御部に用いてもよい。

（第２実施例）
図２は、本実施例の分析装置の概略構成図である。本実施例の分析装置２０は、ボンベ１００、加圧ポンプ１０１、溶媒容器１０２、モディファイアポンプ１０３、抽出部１１４、分析カラム１０９、分岐部１１０、第１背圧調整弁１１１、第２背圧調整弁１１２、質量分析器（MS）１１３、及び回収容器１１５を備える第１実施例の分析装置１０と同様の構成に加え、第３流路切替バルブ２１及びオートサンプラ２２を備える。

本実施例では、分岐部１１０の上流に、第３流路切替バルブ２１が接続されており、該バルブ２１内のポート間の接続を点線又は実線のように変えることにより、分岐部１１０は、抽出部１１４又はオートサンプラ２２のいずれかと接続される。オートサンプラ２２は試料注入部に対応する。抽出部１１４と接続された場合は、第１実施例と同様であるため、以下では、分岐部１１０がオートサンプラ２２と接続され、超臨界流体を用いたクロマトグラフィー（ＳＦＣ）のみを行うことができる構成の場合を説明する。

加圧ポンプ１０１により加圧しつつ二酸化炭素（超臨界流体）をボンベ１００から引き出す。また、モディファイアポンプ１０３により極性溶媒（メタノール、エタノールなど）である修飾剤（モディファイア）を溶媒容器１０２から引き出す。これらは共に加圧ポンプ１０１及びモディファイアポンプ１０３と、第１流路切替バルブ１０４との間に設けられた第３流路切替バルブ２１を経由して、移動相（流体）としてオートサンプラ２２に送られ、そこで試料が注入される。オートサンプラ２２によって注入された試料は、移動相の流れに乗って再び第３流路切替バルブ２１を経由して分岐部１１０に至る。つまり、抽出部１１４を用いたＳＦＥによる抽出物を含む流体の代わりに、試料を含む移動相が分岐部１１０に供給される。その後、実施例１と同様に分析カラム１０９内でそれぞれの成分に分離された後、第１背圧調整弁１１１、及び質量分析器（MS）１１３を流れ、各成分の分析が行われる（ＳＦＣ）。本実施例においても、分析カラム１０９と第１背圧調整弁１１１の間に、図示しない検出器（紫外線検出器（UV）３１０など）が設けられていてもよく、また、質量分析器１１３は必須の構成ではない。

このように、本実施例の分析装置２０では、ＳＦＥとＳＦＣとが一つの流系となっているオンラインの構成と、超臨界流体を用いたクロマトグラフィー（ＳＦＣ）のみを行うことができる構成とを、ユーザが第３流路切替バルブ２１内のポート間の接続を変えることにより、自由に選択して使用することができる。そのため、試料がＳＦＥを行う前の状態のものに限られず、分析対象とすることが可能な試料の範囲を従来より拡げることができ、分析装置の汎用性を高めることができる。

なお、上記実施の形態は本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜、変形、修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。上記実施例では、いずれも、試料成分を含む流体が分岐部１１０により第１の流路及び第２の流路という２個の流路に分かれて流れる場合を説明したが、本発明に係る分析装置の構成はこれに限られず、分岐部により２個以上の複数の流路に分かれて流れるように構成されていてもよい。

１０、２０、３０…分析装置
２１…第３流路切替バルブ
２２…オートサンプラ
１００、３００…ボンベ
１０１、３０１…加圧ポンプ
１０２、３０２…溶媒容器
１０３、３０３…モディファイアポンプ
１０４、３０４…第１流路切替バルブ
１０５、３０５…サンプル収納容器
１０６、３０６…温調装置
１０７、３０７…ニードル
１０８、３０８…第２流路切替バルブ
１０９、３０９…分析カラム
１１０…分岐部
１１１…第１背圧調整弁
１１２…第２背圧調整弁
１１３…質量分析器
１１４…抽出部
１１５…回収容器
３１０…紫外線検出器
３１１…背圧調整弁

Claims

a)試料成分を含む超臨界流体を出力する抽出部と、
b)第１の流路と、
c)第２の流路と、
d)前記超臨界流体を前記第１の流路及び前記第２の流路に分けて流すための分岐部と、
e)前記第１の流路に設けられた、前記超臨界流体から前記試料成分を分離するカラムと、
f)前記第１の流路の圧力を制御する第１の圧力制御部と、
g)前記第２の流路の圧力を制御する第２の圧力制御部と、
を備え、
前記第１の流路の圧力と前記第２の流路の圧力の比により、前記第１の流路及び前記第２の流路に流れる前記超臨界流体の量を制御することを特徴とする分析装置。
前記第１の流路の圧力及び前記第２の流路の圧力の値の和が前記超臨界流体の臨界圧力を超える圧力の値であることを特徴とする、請求項１に記載の分析装置。
前記第１の圧力制御部は、前記第１の流路に設けられた第１の圧力制御弁を有し、
前記第２の圧力制御部は、前記第２の流路に設けられた第２の圧力制御弁を有する
ことを特徴とする、請求項１に記載の分析装置。
a)試料成分を含む超臨界流体を出力するステップと、
b)前記超臨界流体を分岐部により第１の流路及び第２の流路に分けて流すステップと、
c)前記第１の流路の圧力を制御する第１の圧力制御部と、前記第２の流路の圧力を制御する第２の圧力制御部とを用いて、前記第１の流路及び前記第２の流路に流れる前記超臨界流体の量を制御するステップと、
d)前記第１の流路に設けられたカラムにより、前記超臨界流体から前記試料成分を分離するステップと
を有することを特徴とする分析方法。
前記第１の流路の圧力及び前記第２の流路の圧力の値の和が前記超臨界流体の臨界圧力を超える圧力の値であることを特徴とする、請求項４に記載の分析方法。
前記第１の圧力制御部は、前記第１の流路に設けられた第１の圧力制御弁を有し、
前記第２の圧力制御部は、前記第２の流路に設けられた第２の圧力制御弁を有する
ことを特徴とする、請求項４に記載の分析方法。